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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren für
eine verbesserte Durchführung
eines Schleudertests.
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Bauteile
von Turbinentriebwerken oder Gasturbinen zum Antrieb von Luftfahrzeugen
oder für
andere mobile oder stationäre
Anwendungen werden im Rahmen der Entwicklung oder auch stichprobenartig
während
der Serienfertigung einem Schleudertest unterzogen. Auch andere
im Normalbetrieb hohen Drehzahlen und damit großen Zentrifugalkräften ausgesetzte
Bauteile werden regelmäßig einem Schleudertest
unterzogen. Dabei wird das zu testende Bauteil mit einer hohen Drehzahl
rotiert, die im Bereich der im vorgesehenen Nomalbetrieb maximal
erreichten Drehzahl oder darüber
liegt. Um im vorgesehenen Normalbetrieb auftretende Lastwechsel
zu simulieren, können
die Drehzahl und die Temperatur nach einem vorbestimmten Programm
variiert und zyklisch akkumuliert werden.
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Während des
Schleudertests können
in dem zu testenden Bauteil Risse und andere Defekte entstehen.
Herkömmlich
wird der Schleudertest mehrmals nach vordefinierten Intervallen
unterbrochen, um das zu testende Bauteil mit zerstörungsfreien
Methoden auf Risse und andere Defekte zu untersuchen. Dadurch wird
die für
den Schleudertest erforderliche Zeitdauer erheblich verlängert. Wenn
das zu testende Bauteil während
des Schleudertests nicht oft genug bzw. rechtzeitig untersucht wird,
kann das Bauteil während
des Tests bersten. Dadurch kann die für den Schleudertest vorgesehene
Vorrichtung zerstört
werden. Ferner kann nach einem Bruch des Bauteils oft nicht mehr
oder nur noch mit hohem Aufwand der ursächliche Defekt festgestellt
werden. Eine Zerstörung
des Bauteils während
des Schleudertests kann deshalb nicht nur einen großen Schaden,
sondern auch einen erheblichen Zeitverlust bzw. eine erhebliche
Verzögerung
des Testprogramms verursachen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Durchführung eines Schleudertests
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
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Weiterbildungen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Verschiedene
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Idee, bei einem Schleudertest
eine Schallemissionsanalyse durchzuführen, um die Entstehung von
Rissen oder anderen Defekten online bzw. in Echtzeit erfassen zu
können. Bei
einer Schallemissionsanalyse wird während einer Belastung eines
Bauteils Schall erfasst, der beim Entstehen von Rissen oder anderen
Defekten erzeugt wird. Die Schallemissionsanalyse wurde bislang
beispielsweise bei Brücken
und anderen Ingenieurbauten sowie anderen ruhenden Einrichtungen eingesetzt.
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Die
Schallemissionsanalyse kann eine präzisere Steuerung eines Schleudertests
ermöglichen. Beispielsweise
kann der Schleudertest so lange fortgesetzt werden, bis eine erwünschte Anzahl
an schallemittierenden Ereignissen erfasst wurde oder bis der erfasste
Schall auf einem unmittelbar bevorstehenden Bruch des Bauteils hindeutet.
Die Anzahl der Unterbrechungen des Schleudertests für Untersuchungen
des Bauteils kann dadurch reduziert werden. Gleichzeitig sinkt die
Gefahr eines Bruchs des zu untersuchenden Bauteils während des
Schleudertests mit den oben beschriebenen Nachteilen.
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Verschiedene
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beruhen ferner auf der Idee, einen Schallsensor
zum Erfassen von Körperschall
eines bei einem Schleudertest zu testenden Bauteils räumlich beabstandet
von einem Übertrager
zum Übertragen
eines Messsignals des Schallsensors an einen ruhenden Empfänger anzuordnen
und den Schallsensor und den Übertrager
durch eine Kopplungseinrichtung zu koppeln. Der Übertrager wird beispielsweise
symmetrisch zu oder nahe bei einer Achse einer Spindel bzw. Welle
angeordnet, um eine einfache digitale oder analoge, induktive, kapazitive,
elektromagnetische, optische oder andere Übertragung der Messsignale
zu dem Empfänger
zu ermöglichen. Gleichzeitig
kann der Schallsensor beabstandet von der Achse beispielsweise direkt
an dem zu testenden Bauteil angeordnet sein. Eine gute akustische
Kopplung des zu testenden Bauteils an die Spindel bzw. Welle ist
deshalb nicht erforderlich. Im Gegenteil kann beispielsweise ein
Adapter zwischen dem zu testenden Bauteil und der Spindel so ausgebildet sein,
dass Schall aus einem Lager der Spindel oder aus einem Getriebe
nur gedämpft
zu dem zu testenden Bauteil und dem Schallsensor übertragen
wird. Dadurch kann das Signal-Rausch-Verhältnis
verbessert werden.
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Die
Kopplungseinrichtung umfasst beispielsweise eine elektrische Leitung
oder einen Lichtwellenleiter oder ist für eine induktive, kapazitive,
elektromagnetische oder optische Übertragung des Messsignals
vom Schallsensor zum Übertrager
ausgebildet. Die Kopplungseinrichtung kann beispielsweise über Steckverbinder
oder andere Verbinder mit dem Schallsensor und/oder mit dem Übertrager
verbunden werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen anhand
der beigefügten
Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Schallemissionsanalyse
bei einem Schleudertest;
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2 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Schallemissionsanalyse
bei einem Schleudertest; und
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3 ein
schematisches Flussdiagramm.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Schallemissionsanalyse
bei einem Schleudertest. Als zu testendes Bauteil ist beispielhaft
eine Rotorscheibe 10 eines Turbinentriebwerks oder einer
Gasturbine für
Luftfahrzeuge oder andere mobile oder stationäre Anwendungen dargestellt.
Eine Spindel 20 einer Schleudertestvorrichtung ist über einen
ringförmigen
Adapter 22 mit der Rotorscheibe 10 verbunden.
Eine in 1 nicht dargestellte Antriebseinrichtung
ist ausgebildet, um die Spindel 20 und mit ihr den Adapter 22 und
die Rotorscheibe 10 mit einer steuerbaren Drehzahl um eine
Achse 28 zu rotieren. Die Achse 28 ist senkrecht
zur Zeichenebene der 1. Die Rotorscheibe 10,
die Spindel 20 und der Adapter 22 sind mit unterbrochenen
Linien dargestellt, um anzudeuten, dass sie nicht notwendigerweise
Bestandteil der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung zur Schallemissionsanalyse
sind.
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Die
Vorrichtung zur Schallemissionsanalyse umfasst einen oder mehrere
Schallsensoren 31, 32, die über je eine elektrische Leitungen 41, 42 und
optionale Steckverbinder 43 mit einem Übertrager 50 gekoppelt
sind. Der Übertrager 50 und
ein Empfänger 60 sind
koaxial zur Achse 28 der Rotorscheibe 10 angeordnet.
In der Darstellung in 1 überdeckt der Empfänger 60 den Übertrager 50,
so dass beide nicht voneinander unterschieden werden können. Der Übertrager 50 und
der Empfänger 60 weisen
einen kleinen axialen Abstand auf. Der Übertrager 50 ist an
der Spindel 20 angeordnet, um mit dieser zusammen zu rotieren.
Der Empfänger 60 ist
an einer ruhenden Einrichtung angeordnet und rotiert nicht mit der
Spindel 20. Der Empfänger 60 ist über eine
dritte elektrische Leitung 70 mit einer Auswerteeinrichtung 80 gekoppelt.
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Während eines
Schleudertests können
Zentrifugalkräfte,
Erschütterungen,
thermische und andere Belastungen Risse oder andere Defekt in der Rotorscheibe 10 hervorrufen.
Beim Entstehen eines Risses wird durch freigesetzte elastische Energie
ein kurzzeitiges, transientes Schallemissionsereignis erzeugt. Das
Schallemissionsereignis kann charakteristisch für das Material, den Defekt
und/oder die Belastung sein.
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Die
Schallsensoren 31, 32 sind beispielsweise Piezosensoren
oder andere Kontaktschallwandler bzw. Körperschallaufnehmer bzw. Schwingungsaufnehmer,
die Körperschall
in elektrische, optische oder andere Signale wandeln. Die Schallsensoren 31, 32 sind
hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit auf die zu erwartenden Schallemissionsereignisse
abgestimmt. Jeder der Schallsensoren 31, 32 erzeugt
ein analoges oder digitales Messsignal, das den erfassten Körperschall
darstellt. Das Messsignal wird über die
elektrischen Leitungen 41, 42 und optionale Steckverbinder 43 an
den Schallsensoren 31, 32 und/oder an dem Übertrager 50 an
den Übertrager 50 übermittelt.
Anstelle elektrischer Leitungen 41, 42 können beispielsweise
Lichtwellenleiter oder andere Kopplungseinrichtungen zum Übermitteln
von Messsignalen von den Schallsensoren 31, 32 zu
dem Übertrager 50 vorgesehen
sein. Die Kopplungseinrichtung oder die Kopplungseinrichtungen können beispielsweise
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bzw. Direktverbindungen sein oder eine
Bus-Architektur aufweisen.
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Der Übertrager 50 ist
ausgebildet, um das oder die Messsignale an den Empfänger 60 zu übertragen.
Die Übertragung
zwischen dem Übertrager 50 und
dem Empfänger 60 erfolgt
beispielsweise induktiv, kapazitiv, elektromagnetisch oder optisch. Vom
Empfänger 60 wird
das Messsignal weiter über die
dritte elektrische Leitung 70 zu der Auswerteeinrichtung 80 übermittelt.
Anstelle der dritten elektrischen Leitung 70 kann ebenfalls
ein Lichtwellenleiter oder eine andere Einrichtung zur elektrischen,
optischen, elektromagnetischen, induktiven oder kapazitiven Übermittlung
der Messsignale zu der Auswerteeinrichtung 80 vorgesehen
sein. Ferner kann die Auswerteeinrichtung 80 abweichend
von der Darstellung in 1 unmittelbar an dem Empfänger 60 angeordnet
und/oder mit diesem integriert sein.
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Die
Schallsensoren 31, 32, der Übertrager 50, der
Empfänger 60,
die Auswerteeinrichtung 80 und die elektrischen Leitungen 41, 42, 70 sind
an die Frequenzen bzw. Frequenzspektren, Schallintensitäten und
Signalpegel angepasst, die beim Entstehen von Rissen auftreten.
Die Auswerteeinrichtung 80 ist dazu ausgebildet, Schallereignisse,
die vorbestimmte Messschwellen überschreiten,
die in vorbestimmten Frequenzbereichen liegen oder vorbestimmte Schallintensitäten aufweisen,
als relevante Schallemissionsereignisse zu erkennen, die einer Rissentstehung
oder einem Risswachstum zugeordnet werden können. Ein Teil der dazu erforderlichen
Signalaufbereitung, insbesondere eine Filterung hinsichtlich Frequenz,
Pegel, Intensitat und/oder Energie kann in den Schallsensoren 31, 32,
dem Übertrager 50 und/oder
dem Empfänger 60 erfolgen.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Schallemissionsanalyse
bei einem Schleudertest. Die Darstellung in 2 unterscheidet
sich von der Darstellung in 1 dadurch, dass
die Achse 28 nicht senkrecht, sondern parallel zur Zeichenebene
angeordnet ist. Die Rotorscheibe 10, die Spindel 20 und
der Adapter 22 sind deshalb in einem Schnitt entlang einer
Ebene, die die Achse 28 enthält, dargestellt. In 2 ist
erkennbar, dass der Übertrager 50 und
der Empfänger 60 auf
der Achse 28 angeordnet sind und einen kleinen axialen
Abstand aufweisen.
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Die
Darstellung in 2 unterscheidet sich von der
Darstellung in 1 ferner dadurch, dass auch
eine Antriebseinrichtung 90 zum Rotieren der Spindel 20 dargestellt
ist. Die Antriebseinrichtung 90 umfasst beispielsweise
einen Elektromotor, ein Getriebe, eine Leistungsversorgung und eine
Steuerung für
den Elektromotor. Im Gegensatz zu 1 ist ferner
eine Steuerleitung zwischen der Auswerteeinrichtung 80 und
der An triebseinrichtung 90 für eine Datenübertragung
zwischen den beiden Einrichtungen dargestellt. Wenn die Auswerteeinrichtung 80 Schallemissionsereignisse
einer vorbestimmten Qualität
(beispielsweise Frequenz, Signalpegel, Intensität, Energie) oder eine vorbestimmte
Anzahl an Schallemissionsereignissen einer vorbestimmten Qualität erfasst,
kann ein Schleudertest durch Anschalten der Antriebsleistung, Lösen einer
Kupplung und/oder Abbremsen der Spindel 20 beendet werden.
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Die
in 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich
von der oben anhand der 1 dargestellten Vorrichtung
ferner dadurch, dass die Schallsensoren 31, 32 an
verschiedenen Seiten der Rotorscheibe 10 angeordnet sind.
Die zweite elektrische Leitung 42 zwischen dem zweiten
Schallsensor 32 und dem Übertrager 50 verläuft teilweise
durch die Spindel 20 hindurch. An verschiedenen Stellen
weist die zweite elektrische Leitung 42 Steckverbinder 44, 45, 46 auf
und kann deshalb dort unterbrochen werden. Die Steckverbinder 44, 45, 46 sind
beispielsweise am Übertrager 50,
am Übergang
zwischen der Spindel 20 und dem Adapter 22 und/oder
am Übergang
zwischen dem Adapter 22 und der Rotorscheibe 10 angeordnet.
Die Teilabschnitte der elektrischen Leitung 42 zwischen
den Steckverbindern 44, 45, 46 können beispielsweise
in der Spindel 20 oder an dem Adapter 22 verbleiben,
wenn die Rotorscheibe 10 und/oder der Adapter 22 ausgewechselt
werden.
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3 zeigt
ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Schallemissionsanalyse bei
einem Schleudertest. Obwohl dieses Verfahren auch bei Vorrichtungen
anwendbar ist, die sich von den oben anhand der 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen
unterscheiden, werden nachfolgend zur Erleichterung des Verständnisses
beispielhaft Bezugszeichen aus den 1 und 2 verwendet.
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Bei
einem ersten Schritt 101 werden ein oder mehrere Schallsensoren 31, 32 an
einem zu testenden Bauteil 10 und/oder an einer mit dem
zu testenden Bauteil rotierenden Einrichtung, beispielsweise einem
Adapter 20, angeordnet. Bei einem zweiten Schritt 102 wird
ein Übertrager 50 an
einer zur Rotation vorgesehenen Einrichtung, beispielsweise an einer
Spindel 20 oder einem Adapter 22 angeordnet. Abhängig von
der Art des Übertragers 50 kann
es vorteilhaft sein, den Übertrager 50 nahe
bei oder symmetrisch zu einer Rotationsachse 28 anzuordnen,
um die das zu testende Bauteil 10 rotieren soll. Der oder
die Schallsensoren 31, 32 und der Übertrager 50 werden
dabei räumlich
beabstandet voneinander angeordnet.
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Bei
einem dritten Schritt 103 werden der oder die Schallsensoren 31, 32 mittels
einer oder mehrerer Kopplungseinrichtungen mit dem Übertrager 50 gekoppelt.
Die Kopplungseinrichtungen können
eine oder mehrere elektrische Leitungen 41, 42,
Lichtwellenleiter oder andere Einrichtungen zum Übertragen von Information umfassen.
Die Reihenfolge des ersten Schritts 101, des zweiten Schritts 102 und
des dritten Schritts 103 kann von der in 3 dargestellten
Reihenfolge abweichen.
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Bei
einem vierten Schritt 104 wird das zu testende Bauteil 10 mit
einer vorbestimmten Drehzahl rotiert. Bei einem fünften Schritt 105 wird
Körperschall
erfasst, der beim Entstehen von Rissen oder anderen Defekten in
dem zu testenden Bauteil erzeugt wird. Der Körperschall wird von dem oder
den Schallsensoren 31, 32 erfasst, die beim ersten
Schritt 101 angeordnet wurden. Der oder die Schallsensoren
wandeln den Körperschall
in ein bzw. mehrere Messsignale. Bei einem sechsten Schritt 106 werden das
bzw. die Messsignale von dem bzw. den Schallsensoren 31, 32 zu
dem Übertrager 50 übermittelt. Bei
einem siebten Schritt 107 werden das bzw. die Messsignale
von dem Übertrager 50 zu
einem Empfänger 60 übertragen,
beispielsweise induktiv, kapazitiv, elektromagnetisch oder optisch.
Bei einem achten Schritt 108 werden das bzw. die Messsignale analysiert.
Insbesondere werden Signalpegel, Frequenzen, Intensitäten und/oder
Energien erfasst oder gefiltert. Ereignisse einer vorbestimmten
Qualität
werden der Entstehung von Rissen in dem zu testenden Bauteil zugeordnet.
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Bei
einem neunten Schritt 109 wird entschieden, ob ein Ereignis
der vorbestimmten Qualität,
das der Entstehung von Rissen in dem zu testenden Bauteil zugeordnet
werden kann, vorliegt. Wenn dies nicht der Fall ist, werden der
vierte Schritt 104, der fünfte Schritt 105,
der sechste Schritt 106, der siebte Schritt 107 und
der achte Schritt 108 wiederholt. Wenn ein Ereignis der
vorbestimmten Qualität
vorliegt, wird das Verfahren mit dem unten beschriebenen zehnten
Schritt 110 fortgesetzt.
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Alternativ
wird im neunten Schritt 109 entschieden, ob eine vorbestimmte
Anzahl an Schallemissionsereignissen bzw. Messsignalen einer vorbestimmten
Qualität
registriert werden bzw. wurden. In diesem Fall werden der vierte
Schritt 104, der fünfte Schritt 105,
der sechste Schritt 106, der siebte Schritt 107 und
der achte Schritt 108 wiederholt, wenn die Anzahl der bis
dahin registrierten Schallemissionsereignisse der vorbestimmten
Qualität
noch kleiner als die vorbestimmte Anzahl ist. Das Verfahren wird mit
dem zehnten Schritt 110 fortgesetzt, wenn die vorbestimmte
Anzahl der Schallemissionsereignisse der vorbestimmten Qualität erreicht
ist.
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Der
vierte Schritt 104, der fünfte Schritt 105, der
sechste Schritt 106, der siebte Schritt 107, der achte
Schritt 108 und der neunte Schritt 109 können gleichzeitig
kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich ausgeführt werden.
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Bei
einem zehnten Schritt 110 wird der Schleudertest beispielsweise
durch Abschalten der Antriebsleistung für das Rotieren des zu testenden Bauteils,
durch Lösen
einer Kupplung und/oder durch Bremsen beendet. Dazu wird beispielsweise
direkt auf die Antriebseinrichtung 90 bzw. auf eine Motorsteuerung
zugegriffen. Der zehnte Schritt 110 beendet somit die kontinuierliche
oder quasi-kontunierliche wiederholte Ausführung des vierten Schritts 104, des
fünften
Schritts 105, des sechsten Schritts 106, des siebten
Schritts 107, des achten Schritts 108 und des
neunten Schritts 109. Der zehnte Schritt 110 wird beispielsweise
ausgeführt,
wenn Schallemissionsereignisse bzw. Messsignale einer vorbestimmten Qualität oder eine
vorbestimmte Anzahl an Schallemissionsereignissen bzw. Messsignalen
einer vorbestimmten Qualität
registriert werden bzw. wurden.
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Statt
den Schleudertest zu beenden, kann im zehnten Schritt 110 ein
beliebiger anderer Vorgang ausgelöst werden. Beispielsweise kann
im zehnten Schritt das Messprogramm verändert oder ein anderes Messprogramm
gestartet werden.
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Obwohl
die oben dargestellten Ausführungsbeispiele
sich teilweise auf Rotorscheiben als zu testende Bauteile beziehen,
sind sie auch auf andere zu testende Bauteile anwendbar.
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- 10
- Rotorscheibe
- 20
- Spindel
- 22
- Adapter
- 28
- Achse
der Spindel 20
- 31
- erster
Schallsensor
- 32
- zweiter
Schallsensor
- 41
- erste
elektrische Leitung
- 42
- zweite
elektrische Leitung
- 43
- Steckverbinder
- 44
- Steckverbinder
- 45
- Steckverbinder
- 46
- Steckverbinder
- 50
- Übertrager
- 60
- Empfänger
- 70
- dritte
elektrische Leitung
- 80
- Auswerteeinrichtung
- 90
- Antriebseinrichtung
für Spindel 20
- 101
- erster
Schritt (Anordnen eines Schallsensors)
- 102
- zweiter
Schritt (Anordnen eines Übertragers)
- 103
- dritter
Schritt (Koppeln des Schallsensors mit dem Übertrager)
- 104
- vierter
Schritt (Rotieren zumindest des zu testenden Bauteils)
- 105
- fünfter Schritt
(Erfassen von Körperschall)
- 106
- sechster
Schritt (Übertragen
des Messsignals)
- 107
- siebter
Schritt (Übertragen
des Messsignals)
- 108
- achter
Schritt (Auswerten des Messsignals)
- 109
- neunter
Schritt (Entscheiden)
- 110
- zehnter
Schritt (Auslösen
eines Vorgangs)